JP2004287441A - テレセントリック光学系を用いた投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 デジタル投影システムにおいてダイクロイック面を用いた場合に、高輝度、高効率、および、はっきりと規定されたスペクトルのエッジを与えるテレセントリックな光学系を提供する。
【解決手段】 本発明の投影装置は、多色光源と、多色光源からの光を均一化して、均一照明領域を提供する均一化手段と、均一照明領域を拡大して、拡大均一照明領域を形成し、拡大均一照明領域をダイクロイックセパレータに導くベース集光リレーレンズと、ディスプレイ表面に対して多色画像を投影する投影レンズとを備える。ダイクロイックセパレータは、（i）拡大均一照明領域を画像化し、彩色光変調チャネルにおける彩色光を方向付ける低減リレーと、（ii）第１の画像を形成する空間光変調器と、（iii）第１の画像の拡大実像を、ダイクロイックコンバイナに合焦して中継する拡大リレーレンズとをそれぞれ備える第１、第２、及び第３の彩色光変調チャネルを提供する。
【選択図】図５

Description

本発明は一般に空間光変調器を用いてデジタルデータからカラー画像を形成する投影装置に関し、さらに具体的には光源照明および変調光の両方に対しテレセントリックな光路を維持する投影装置に関する。

従来のフィルムプロジェクタの代替物にふさわしいとみなされるために、デジタル投影システムは画質に関し求められる要求を満たす必要がある。このことは多色映画投影システムについてもあてはまる。従来の映画品質のプロジェクタに対し競争力を有する代替物を提供するためには、デジタル投影システムは、高解像度、広色域、高輝度、および、１，０００：１を超えるフレームシーケンシャルのコントラスト比を提供するよう、性能に関し高度の基準を満たす必要がある。

多色デジタル映画投影に関する最も期待できる方法論では、画像形成デバイスとして基本的に２つのタイプの空間光変調器の１つを採用している。第１のタイプの空間光変調器は、テキサス州、ダラスのテキサス・インストゥルメンツ社(Texas Instruments, Inc., Dallas, Texas)の開発したデジタル・マイクロミラー・デバイス(Digital Micromirror Device)（ＤＭＤ）である。ＤＭＤデバイスは数多くの特許において記載されている。例えば、それは（全てホーンベック(Hornbeck)に対する）米国特許第４，４４１，７９１号、第５，５３５，０４７号、第５，６００，３８３号、および、（ハイムブック(Heimbuch)に対する）米国特許第５，７１９，６９５号である。ＤＭＤを採用している投影装置に関する光学系デザインについては、米国特許第５，９１４，８１８号（テハダら(Tejada et al.)）、第５，９３０，０５０号（デワルド(Dewald)）、第６，００８，９５１号（アンダーソン(Anderson)）、および、第６，０８９，７１７号（イワイ(Iwai)）において開示されている。ＤＭＤはデジタル投影システムで採用されている。ＤＭＤベースのプロジェクタは必要な光スループット、コントラスト比、および、色域を提供するなかなかの性能を実証しているのだが、固有の解像度に関する制限（現行のデバイスは１０２４×７６８ピクセルのみを提供）、ならびに、構成要素およびシステムのコスト高がＤＭＤの高品質デジタル映画投影に対する受容性を制限してきた。

デジタル投影に用いられる第２のタイプの空間光変調器は液晶デバイス（ＬＣＤ）である。ＬＣＤは、対応するピクセルのそれぞれに対する入射光の偏光状態を選択的に調節し、ピクセルのアレイとして画像を形成する。ＬＣＤには、高品質デジタル映画投影システムのための空間光変調器としての優位性があるように思われる。これら優位性には、比較的大きなデバイスのサイズおよび好ましいデバイスの歩留まりが含まれる。ＬＣＤ空間光変調器を利用する電子的投影装置の例としては、米国特許第５，８０８，７９５号（シモムラら(Shimomura et al.)）、第５，７９８，８１９号（ハットリら(Hattori et al.)）、第５，９１８，９６１号（ウエダ(Ueda)）、第６，０１０，２２１号（マキら(Maki et al.)）、および、第６，０６２，６９４号（オイカワら(Oikawa et al.)）がある。ＬＣＤ投影の特許の例、米国特許第４，４２５，０２８号（ガグノン(Gagnon)）、第４，７４９，２５９号（レーデブーア(Ledebuhr)）、および、第４，９１１，５４７号（レーデブーア(Ledebuhr)）は、カラー・パフォーマンスを向上させる二重の色偏光デザインを記載している。

空間光変調器を用いた電子的投影装置においては、従来的には赤、緑、および、青（ＲＧＢ）である個々の色は、別々に対応する光路の赤、緑、および、青の部分において変調される。それから、各色の変調された光は統合されて合成的多色ＲＧＢカラー画像を形成する。変調された色光を統合する投影光学系には基本的な２つの方法論がある。集束的アプローチとみなされる第１の方法論は、初期の、従来型投影システムから適合化されている。集束的アプローチを用いることにより、赤色光、緑色光、および、青色光成分は、別個の軸を有し、ある焦点面において合成的多色カラー画像を形成するのに必要なだけ各光路を効率よく湾曲する投影光学系によって集束される。例示となる実例としては、米国特許第５，３４５，２６２号（イーら(Yee et al.)）は集束的ビデオ投影システムを開示している。注目に値すべきは、集束的投影アプローチの主要な問題点の１つを米国特許第５，３４５，２６２号の開示が示していることである。それはつまり、別個のカラー像が投影面上で正しく示されなければならないという点である。１つでも色光投影路に誤表示やフォーカスの甘さがあれば、直ちに不満足な画像となり得る。このアプローチを用いる場合像の光路は焦点面においてのみ集束されている、ことを観察することは教訓的である。

米国特許第５，９０７，４３７号（スポートベリーら(Sportbery et al.)）は、設計の複雑性の簡単化、および、上記の集束的アプローチを用いる多色投影システムに固有の、光路位置合わせおよび表示に関する問題のいくつかを軽減する試みを開示している。米国特許第５，９０７，４３７号の開示においては、光弁投影システムが記載されており、このシステムにおいては集束性光学系により赤色、緑色、および、青色の変調された光路が集束され、好都合に投影レンズの軸上に集中された集束像を形成している。米国特許第５，９０７，４３７号に概説されている設計方針では、このようにして集束的アプローチを用いたシステムに対する設計上の課題を簡単化している。だが、集束的アプローチに固有のその他の問題点については残っている。

米国特許第５，９０７，４３７号に開示の方法論と類似のアプローチに含まれる注目すべき問題点は、比較的高いエタンデュである。光学技術において広く知られているように、エタンデュは光学系で扱える光の量と関係している。潜在的に、エタンデュが高くなればなるほどに、像はさらに明るくなる。数的には、エタンデュは２つのファクタの積に比例する。つまり、像面積、および、開口数の二乗、である。開口数の増加により例えばエタンデュが増大し、光学系はさらに多くの光を捕らえる。同様に、ソースの像のサイズを大きくし、より大きな面積から光を発すると、エタンデュが増大し、その結果明るさが増す。一般則として、エタンデュの増大はさらに複雑かつコスト高な光学デザインを招く。米国特許第５，９０７，４３７号に概説されているようなアプローチを用いれば、例えば、光学系におけるレンズ構成要素を大きなエタンデュ用に設計しなければならない。システムの光学系によって集束されなければならない光に対するソースの像の面積とは、赤色、緑色、および、青色の光路における、全ての空間光変調器の面積であり、これは形成される最終多色像の面積の３倍である。つまり、赤色、緑色、および、青色の光路は別々であって光学的に集束されなければならないので、米国特許第５，９０７，４３７号に開示の構成に関しては、光学的構成要素はかなり大きな像面積、故に高いエタンデュを扱っている。さらには、米国特許第５，９０７，４３７号に開示の構成は形成される最終多色像の面積の３倍の面積からの光を扱っているが、各色光路には総光レベルの３分の１しか含まれないので、この構成は、明るさの増大によるいかなる恩恵も与えない。特に、米国特許第５，９０７，４３７号の開示するような集束光学系の第２リレーレンズおよび投影レンズは、生得的に高いエタンデュによる制約を受けており、このことは、このような手法にコストと複雑性を与える。さらには、第２リレーレンズは、全可視スペクトルにわたって色補正されていなければならない。同時に、リレーレンズおよび投影レンズの異なる部分が異なる波長を扱っており、局在化したレンズの不完全性、塵、または、よごれは、投影像に影響を及ぼすばかりでなく、色の品質にも影響を与えかねない。エタンデュによる制約、色補正の要請、塵およびよごれに対する敏感さ、ならびに、デジタル投影の明るさのレベルの最大化に対する必要性に照らせば、米国特許第５，９０７，４３７号において例示された集束的アプローチを妨害する重大な生得的制限があるように思われる。

投影光学に対する代替的アプローチは、同軸的アプローチとみなされている。成分の赤色、緑色、および、青色の光線を湾曲させて焦点面において集束させる集束的アプローチとは対照的に、同軸的アプローチでは、成分の赤色、緑色、および、青色の変調光線を共通の軸に沿って統合する。このために、同軸的アプローチは、Ｘキューブまたはフィリップス・プリズムといったダイクロイックな結合要素を採用している。ＸキューブもしくはＸプリズム、ならびに、米国特許第５，０９８，１８３号（ソネハラ(Sonehara)）および米国特許第６，０１９，４７４号（ドーニーら(Doany et al.)）に開示されているような、関連するダイクロイックな光学要素は、光学的結像の分野では広く知られている。ダイクロイック結合要素は各色光路からの変調光を統合し、共通の軸に沿って色光路を一緒に折り曲げ、統合カラー像を投影レンズに与える。図１を参照すれば、同軸的アプローチを用いた従来型のデジタル投影装置１０に関する、簡単化されたブロック図が示されている。各色光路（ｒ＝赤色、ｇ＝緑色、ｂ＝青色）は、変調光線を形成するためのものと同様の構成要素を用いている。各経路内の個々の構成要素は、添え字ｒ、ｇ、または、ｂを付して適切に示されている。だが、以下の記載では、色光路の区別は、必要のある場合のみ、明確に区別する。いずれの３つの色光路の後でも、光源２０が変調されていない光を提供している。これは、均一化光学系２２により調整されて均一な照明を提供する。偏光ビームスプリッタ２４は、適切な偏光状態の光を、ピクセルの配されているアレイへの入射光の偏光状態を選択的に変調する空間光変調器３０に向かわせる。空間光変調器３０の動作により像が形成される。光軸Ｏ_ｒ、Ｏ_ｇ、Ｏ_ｂに沿って偏光ビームスプリッタ２４を透過した、この像からの変調光は、一般にＸキューブ、フィリップス・プリズム、または、従来型システムにおけるダイクロイック面の組み合わせである、ダイクロイックコンバイナ２６に向けられる。ダイクロイックコンバイナ２６は、別々の光軸Ｏ_ｒ、Ｏ_ｇ、Ｏ_ｂからの赤色、緑色、および、青色の変調像を統合し、投影スクリーンのような、ディスプレイ面４０への投影のために、共通の光軸Ｏに沿って、投影レンズ３２のための統合された多色像を形成する。

米国特許第５，９０７，４３７号を参照して上記にて概説した集束的アプローチとは対照的に、図１のブロック図として示され、また、米国特許第５，８０８，７９５号に例示されている、同軸的アプローチは数多くの有利点を有する。光スループットに関し、同軸的アプローチは光学系のエタンデュを増大させない。なぜなら、同軸的アプローチは光路を共通軸に沿って統合するからである。それどころか、投影レンズ３２に関し、ダイクロイックコンバイナ２６は、適当な光軸Ｏ_ｒおよびＯ_ｂを折り曲げて光軸Ｏ_ｇに合わせ、共通の光軸Ｏを形成することにより、空間光変調器３０ｒ、３０ｇ、３０ｂの領域を光学的に重ね合わせる。ゆえに、１つ、２つ、３つ、または、それよりも多くの空間光変調器がこのように統合されてもエタンデュには一切の増加がない。各光色は別個に変調され、それから、統合されて、投影レンズ３２に共通の光軸Ｏに沿って与えられるので、ダイクロイックコンバイナ２６と投影レンズ３２との間に光学系は一切不要である。

米国特許第３，２０２，０３９号（デラングら(DeLang et al.)）に開示されているようなフィリップス・プリズムをダイクロイックコンバイナ２６の替わりに用いることができる。デジタル画像投影技術分野の技能を有する者にとっては当然のことだが、フィリップス・プリズムは、例えば、米国特許第６，２８０，０３５号および第６，１７２，８１３号（共にタディック−ガレブら(Tadic-Galeb et al.)）、第６，２６２，８５１号（マーシャル(Marshall)）、ならびに、第５，６２１，４８６号（ドーニーら(Doany et al.)）に開示されているようなプロジェクタのデザインにおいては、クロマチック・セパレータまたはコンバイナ構成要素として用いられている。

図１の基本的モデルを使用するデザインを有するデジタル投影装置１０は良好なレベルの画質を提供可能だが、なお改良の余地を残しているように思われる。ダイクロイック・コーティングに課された制約について考察することが鍵である。ダイクロイックコンバイナ２６に用いられるダイクロイック・コーティングは、特に、高い輝度水準、および、広い色域が必要とされる投影用途においては、高価でかつ、広範囲な角度にわたる入射光について適切な性能を発揮するようにデザインし製作することは困難である。ダイクロイック・コーティングは、入射角および波長の関数として光を反射したり透過したりする。入射角が変化すると、透過、または、反射される光の波長も変化する。低ｆ／＃を有する光学系と共にダイクロイック・コーティングを用いれば、広範囲な入射角で、コーティングが広範なスペクトルを反射または透過させる。

図２ａおよび図２ｂは、入射光角度の増加に従うダイクロイック・コーティングの機能性の変化を示している。図２ａおよび図２ｂを参照すれば、点光源Ｐからの光円錐、および、これら図面において斜めに配されたダイクロイック面３６への入射が示されている。図２ａおよび図２ｂは、２つの異なるｆ／＃値での、ダイクロイック面３６への光の入射を表している。図２ａにおいては、より小さなｆ／＃値を有する光円錐は、より大きな範囲の角度でダイクロイック面３６に入射している。入射角は、ダイクロイック面３６に対する法線Ｎに対して設定される。一方の入射光線の極値である角度Ａと他方の極値である角度Ｂの差違のため、ダイクロイック面３６が、透過光円錐と反射光円錐で色ずれを生じさせる。

比較すると、図２ｂにおいてはより大きなｆ／＃値で光円錐が入射している。ここでは、入射光円錐の極端における角度Ａ’とＢ’との間には非常に僅かの差違しかない。このような場合、ダイクロイック面３６の応答性により、図２ａに示されている、より小さなｆ／＃を有する場合よりも、さらに小さな相応する色ずれが透過光円錐と反射光円錐で生じる。

図２ａおよび図２ｂより明らかだが、ダイクロイック面３６は、何らかの支持構造を有し、それは、一般にプリズム４２である。収差を最小化するため、面４４ａおよび４４ｂの平面度は、光円錐が狭い角度範囲を示す図２ｂの、より大きなｆ／＃を有する場合よりも、光円錐が広い角度範囲を示す図２ａの、より小さなｆ／＃を有する場合に、さらに重要である。よって、より大きなｆ／＃を有する光円錐の使用が可能であれば、ダイクロイックコンバイナにおけるプリズム４２の表面の許容度に関する要求は緩和され、その結果、コストおよび位置合わせの複雑さが低減される。だが、従来より、より小さなｆ／＃を有する光円錐が投影システムにおいては使用されている。これは、システム設計が輝度の最大化を指向しているからである。

図２ａおよび図２ｂに示される高ｆ／＃の恩恵に関連するものとして、図２ｃと図２ｄを比較することで示されているテレセントリック性の恩恵がある。ここでは、点光源Ｐ１、Ｐ２、および、Ｐ３は平坦な像面上の点を示しており、ダイクロイック面３６に光線が入射している。図２ｃにおいては、点光源Ｐ１、Ｐ２、および、Ｐ３からの光円錐はテレセントリックであり、相応する角度ＣおよびＤは同一である。比較すると、図２ｄにおいては、光円錐はテレセントリックではなく、また、相応する角度Ｃ’およびＤ’は異なる。この入射角の違いにより、点光源Ｐ１からの光は、点光源Ｐ３からの光とは僅かに異なる色を有するようになり、その結果、フィールドに色ずれが生じる。

見て取れることだが、図示のとおり、図２ａないし図２ｄには、ガラス−空気界面における光の反射は示されていない。広く知られているように、何らかの反射が生じ、幾分入射光の角度は変化する。

図２ａないし図２ｄより理解できることだが、小さな範囲の入射角（換言すれば、高ｆ／＃）にテレセントリックな光を提供することは有利である。だが、実際は、デジタル投影装置に対してこれらの有利性を獲得することは、同時に高い輝度レベルを維持する必要性により困難である。

画像化技術分野において広く知られていることだが、色域を最大化するには、各合成色が狭いスペクトル範囲を有して可能な限り純粋な飽和色を与えるべきである。例えば、緑色光を幾分含んでいる赤色光チャンネルを用いて深い赤色を作ることは困難である。このように、色結合プリズムまたはその他の光学的要素で低ｆ／＃を用いる場合、ダイクロイック・コーティングの広いスペクトル応答性により色域が減少する。だがい、同時に、低ｆ／＃により、さらに広い角度範囲においてさらに多くの光が集められるので、低ｆ／＃は高輝度レベルを得るには望ましい。例えば、フィルタリングのように、色域を改善するための従来型の補正技術は存在するのだが、これらの技術では輝度が減少するおそれがある。よって、ダイクロイックコンバイナ２６内のコーティングに関する制限により、投影装置１０の光学系について輝度レベルおよび色域の両方を最適化する可能性は制約される。

図３ａは理想的なＸキューブ１２６に向けられた点光源Ｐからレンズ１３２を介した光に対する応答性を示している。Ｘキューブ１２６は、４つのプリズム１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、１２８ｄを備え、これらは適当な表面処理がなされ、互いに固定化されている。表面１３０ａおよび１３０ｂは、適当な波長を有するＰからの光を反射するように処理されている。表面１３０ａおよび１３０ｂは完全な平面であり、かつ、互いに位置合わせされて収差の無い反射をして点Ｐ’に像を形成しなければならない。図３ａとは対照をなして、図３ｂは、表面１３０ａおよび１３０ｂが完全に位置合わせされていないＸキューブ１２６’の応答性について示している。表面１３０ａおよび１３０ｂの位置合わせ不良により、点光源Ｐからの光は点Ｐ１’およびＰ２’において２つの別個の像を形成する。上記のような視認できる継合部のような、収差の影響は、像点Ｐ１’およびＰ２’の間隔が１ピクセルの幅またはそれよりも大きなオーダーである場合に最も顕著である。明らかだが、Ｘキューブ１２６’を介して反射された像のぼけは、方向を問わず、像点Ｐ１’とＰ２’の間隔が増加するにつれてますます明白となる。このことに相応するように、ピクセルの寸法が小さくなればなるほどに、Ｘキューブ１２６’の製造における不完全性に起因する収差の影響はますます大きくなる。

よく知られたＸキューブダイクロイックコンバイナ２６の限界とは、デバイス自体の製作過程に内在するものである。Ｘキューブは４つのプリズムで組み立てられており、これらプリズムの内部表面は、適当なダイクロイック・コーティングを支持する基材として機能している。製造において、プリズムは、内部表面の平面が可能な限り接近するようにして、互いに接着される。だが、Ｘキューブの製造における僅かな許容誤差ですら、これらデバイスを従来のデジタル投影手法に用いた場合には、画像化に関する問題を招来する。例えば、Ｘキューブ内のコートされた平面状表面における僅かな位置合わせ不良により、色縁のような収差が生じることがある。しかし、色縁収差はある程度是正され、そして、このタイプの問題を生じにくいダイクロイックコンバイナに対する有利点も存在する。ダイクロイック面が系都合されている「継合部」は、１つまたは複数の直線的な影状のアーチファクトとして表示された画像に現れる傾向がある。高品質なＸキューブの製造は、個々の構成要素たるプリズムが同一の屈折率を有するという要求により、さらに複雑になる。つまり、このことは、実際、全てのプリズム構成要素に対して同一のガラス溶融体を使用した場合に最もよく実現される。加えてコーティング処理が複数のプリズム表面において均一でなければならない。Ｘキューブの表面になされる光学的コーティングは一般にサブミクロンの膜厚を有し、かつ多層化されており、時には５０または６０層程度も必要とされる。従って正確な製造手順の実行のみならず、注意深いパーツのトラッキングを実行する必要がある。さらなる問題点は、組み立てたＸキューブの外面を均一でフラットな表面にする上での困難性の結果である。当然のことながらこの複雑性によりＸキューブにはかなりのコストが加算される。最終的には、従来の手法を用いて輝度を獲得するならば高い熱レベルを招き、これによりＸキューブの接着剤およびコーティング面が損傷されることがある。

当然のことながら実際には、図３ａに示すような完全なＸキューブ１２６の製造は非常に困難であって、誤差に対するある程度の許容度を認めなければならない。このため、Ｘキューブ１２６を用いた光学系を設計する場合、厳密なＸキューブ１２６の許容範囲を守ることへの依存度は、最小限にとどめることが有利である。

関連する、画質に対する重要事項には、光学系において可能であれば常時テレセントリック性を保つことがある。上記のように、特に図２ａないし図２ｄを参照すれば、光学系における、色分離のダイクロイックまたは色結合のダイクロイックの両方の、あらゆるダイクロイック面への光の入射の角度の差を最小化することは有益である。さらに、光学設計分野では周知のことだが、空間光変調器３０におけるテレセントリックなイメージングは、像におけるコントラストのシェーディングをさらに低減させることに役立つ。空間光変調器３０の表面上の２つの異なる点光源位置からの光の円錐がテレセントリックではない場合、これらの異なる位置は、ダイクロイックコンバイナ２６のダイクロイック面に対し異なる入射角を示す。それに呼応して、ダイクロイックコンバイナ２６は異なるフィールド位置において異なる波長帯を反射し、像に色ずれが生じる。

投影装置の設計において広く知られた別の原理だが、投影レンズ３２の後方焦点距離を最小化することは有益であり、その結果、後方作動距離の必要性および投影レンズ３２のコストが最小化される。例えば、米国特許第６，００８，９５１号（アンダーソン(Anderson)）に開示の手法のように、実効焦点距離よりも長い後方焦点距離を有する投影レンズのコストおよび複雑性への要請を回避することが望ましい。

米国特許第６，１１３，２３９号（サンプセルら(Sampsell et al.)）は、投影レンズの後方作動距離の要件を追加的に減少させるハイブリッドＸキューブを備えた投影表示構成要素の構成を開示している。この開示において、偏光ビームスプリッタおよびダイクロイック結合面の両者は単一のＸキューブに統合され、投影レンズの作動距離を他の従来技術のデザインと比較して短縮している。だが、米国特許第６，１１３，２３９号のデザインでは顕著な輝度の改善は見られない。なぜなら、ダイクロイック面の角度に関する制約が緩和されていないからである。その他の問題点として、コストのかかるコーティング手法がある。偏光ビームスプリッタのコーティングは、容易には全ての色と偏光の組み合わせに対して最適化されないからである。なおその上に、さらなる作動距離に関する要件について改善が望まれる。

米国特許第５，９４４，４０１号（ムラカミら(Murakami et al.)）は、Ｘキューブダイクロイックの代替として、プラスチックのプリズム内にダイクロイック面を有する光学ブロックを開示している。この手法は、後方作動距離の要件を幾分緩和している。なぜなら、プラスチックの屈折率は空気の屈折率を上回るからである。後方作動距離を最小化するため、透過型空間光変調器を用いて可能な限り結合用光学ブロックの近くで像形成可能にしている。だが、この構成は反射型空間光変調器を用いた投影装置にとっては適さない。なぜなら、後方作動距離の要件がまだなお過剰だからである。後方作動距離の点に関して、米国特許第５，９４４，４０１号の手法は従来型Ｘキューブのデザインには有利ではない。フルスケールの映画の投影にはかなり大きな投影レンズが必要となる。さらに、米国特許第５，９４４，４０１号に開示の手法は、上記の、ダイクロイック面に内在する角度に関する制限については扱っていない。従って輝度レベルはこのタイプのデザイン手法では制約を受ける。

米国特許第５，５９７，２２号（ドーニーら(Doany et al.)）は、デジタルプロジェクタでの使用のために、生得的な許容度の問題および投影レンズの作動要件に関連した上記困難性をある程度緩和する光学リレーレンズ系を開示している。米国特許第５，５９７，２２２号は、統合された光を個々のＲＧＢ色光路から、偏光ビームスプリッタとも称される、マクナイル偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）へリレーする単一の１Ｘの、二重テレセントリックリレーレンズの使用について開示している。米国特許第５，５９７，２２２号においては、空間光変調器がダイクロイックコンバイナＸキューブの非常に近いところに配され、よって、外側面の平面度の不完全性および内側面の製造における許容度に関する潜在する不利な影響の幾つかについて最小化している。米国特許第５，５９７，２２２号に開示のシステムには、投影レンズのデザインが、類似のデザインと比較して簡単化されている、という有利点がある。その投影レンズに対する作動距離の要件は、米国特許第５，５９７，２２２号の設計手法を用いて著しく減少されている。単一の１Ｘの二重テレセントリックリレーは、像光路における中間的内部統合像の前にマクナイルＰＢＳを組み入れるのに必要な作動距離を与える。それから、投影レンズが、ＰＢＳ、および／または、Ｘプリズムのようなダイクロイック・カラー・コンバイナを用いる場合に概して必要な長い作動距離を必要とせずに、この内部像をスクリーンに再結像する。だが、米国特許第５，５９７，２２２号に示されている手法では、Ｘキューブのコーティングおよび面に関する生得的問題点を補正して像の輝度および色域の両方を維持するのに必要とされる方法論としては甚だ不十分である。例えば、米国特許第５，５９７，２２２号で言及しているデザインは、ダイクロイック・コーティングに生得的に備わっている角度依存性については対処しておらず、そのため、像の輝度を維持しつつ同時的に大きな色域をサポートすることは困難なままである。さらには、このデザインでは大きな開口数の投影レンズを用いなければならず、このため、低い開口数を用いたデザインよりもコスト高になる。空間光変調器構成要素のスケールのため、米国特許第５，５９７，２２２号のデザインは、まだなお高品質なＸキューブのデザインに依存している。さらに、米国特許第５，５９７，２２２号に開示の構成は、偏光ビームスプリッタと変調用ＬＣＤとの間に比較的多数の光学的構成要素を用いている。偏光された照明光源の光路上に多数の光学的構成要素を備えることにより、多少の不可避的応力複屈折が必然的に両方向に伝播する変調されていない光および変調された光の偏光状態を変化させる。

米国特許第５，３５７，２８９号（コンノら(Konno et al.)）は、単一の１Ｘのリレーレンズを用いて内部中間像を投影レンズに与えて投影レンズのデザインに課される作動距離の要件を著しく減少させる、米国特許第５，５９７，２２２号に開示されているシステムと類似のシステムを開示している。米国特許第５，３５７，２８９号は偏光および色結合プリズムの使用に関し、米国特許第５，５９７，２２２号に示されている構造に対する代替的構造を提供している。米国特許第５，３５７，２８９号の装置においては偏光および色結合プリズムの両方は、米国特許第５，５９７，２２２号の装置のように十分な間隔を置かず、共に空間光変調器の近傍にある。従来のＸプリズムの代わりに米国特許第５，３５７，２８９号の装置ではカラーコンバイナとしてＶプリズムを用い、ここでＶプリズムは上記米国特許第５，９４４，４０１号に開示のものに類似している。Ｖプリズムによるアプローチは、Ｘキューブの製造および使用に固有の問題点の幾つかを回避している。米国特許第５，３５７，２８９号に開示の手法は投影レンズのデザインに関する要求を緩和しているが、結像リレー（第１レンズ群）に課題がある。というのも、空間光変調器および関連するＰＢＳ、ならびに、色結合Ｖプリズムに対して長い作動距離が必要だからである。米国特許第５，５９７，２２２号に記された手法のように、米国特許第５，３５７，２８９号に示された手法は３色（ＲＧＢ）全てに対して、名目上は１Ｘの倍率で機能する、単一の結像リレーレンズを用いている。米国特許第５，５９７，２２２号の装置に見られるように、米国特許第５，３５７，２８９号の手法は、３次オーダーの収差において、特に歪みおよび焦点ぼけに関し、最小の色収差または色差を有する白色光像を形成するように、広範な可視スペクトルの部分にわたって完全に色補正された複合的結像リレーレンズを必要としている。

米国特許第６，２４７，８１６号（シポラら(Cipolla et al.)）は、色光路のうちただ１つの色光路において中間的像をダイクロイックコンバイナに向けてリレーするための１Ｘのリレーレンズの使用について開示している。米国特許第６，２４７，８１６号の方法論は、構成要素のパッケージングに関する問題点について扱っているが、ダイクロイックコンバイナの応答性の負っている角度に関する制約については一切、解決していない。米国特許第６，２４７，８１６号の方法論も投影レンズの後方作動距離に関する要件に関して一切の救済策を与えない。

米国特許第４，８３６，６４９号（レーデブーアら(Ledebuhr et al.)）は、照明用光路で用いて偏光用構成要素を最小にし、また、変調光光路で用いてデジタル投影システムの後方作動距離に関する制約を緩和することに役立つ、１Ｘのリレーレンズ構成を開示している。この構成は幾つかの有利点を備えるが、色結合ダイクロイック面はまだなお、低Ｆ／＃値で光を扱わなければならず、その結果、色域が減少する。さらには、この方法論を用いる場合には投影レンズも低いｆ／＃で作動しなければならない。

米国特許第５，３７４，９６８号（ハーベンら(Haven et al.)）の開示において強調されていることだが、投影システムにおける輝度の最大化のための従来の手法は、低ｆ／＃光学系を重視している。しかし、図２ａないし図２ｄを参照して、上記にて言及したように、結合色像光路に用いるダイクロイック面の機能性は、低ｆ／＃光学系での大きな入射角により阻害される。

コスト高、および、周知の問題点にもかかわらず、Ｘキューブは相当数の画像化デバイスデザインにおいてダイクロイックコンバイナとしての役割を担ってきた。Ｘキューブおよび類似のデバイスが広範に使用されている理由の１つは、ダイクロイック面を用いる他の方法論に比較して、サイズがコンパクトであることに関連がある。投影レンズの後方作動距離を最小にするため、従来のデザイン手法では、空間光変調器をＸキューブの近くに配している。これは、例えば米国特許第６，１１３，２３９号に示されている。

米国特許第６，３２１，１９２号（コンノら(Konno et al.)）の開示には、Ｘキューブをなくすための方策が含まれている。ここでは、各光路において同じ光学的距離を維持しながら、各色変調光路からの光を統合するため、ダイクロイック・ミラーを用いている。記載のシステムは、従来の、Ｘキューブ光学系を用いる方法論よりもコストのかからない方法論を提示している。だが、同時に、米国特許第６，２３１，１９２号に開示の方法論は投影レンズ系の後方作動に関する要件を緩和していない。この方法論は、プロジェクタの光学系のｆ／＃を遅いスピードに限定しており、応じられる輝度に抑制を加え、また大きな直径の投影レンズを必要としている。投影光路における円柱光学系が、非点収差に対する補正を施さなければならない。

照明用光路においては、Ｘキューブ、フィリップス・プリズム、および、ダイクロイック面を用いる、関連構造を含む、ダイクロイック構成要素も用いており、これらは変調のために白色光を赤色、緑色、および、青色光に分離することに用いられている。米国特許第６，０５３，６１５号（ピーターソンら(Peterson et al.)）、米国特許第６，２２０，７１３号（タディック−ガレブら(Tadic-Galeb et al.)）、および、米国特許第６，２５４，２３７号（ブース(Booth)）は、色の分離のためにダイクロイック構成要素を用いたプロジェクタのデザインに関する幾つかの例に過ぎない。予想されることだが、光の入射角に関する同じ機能上の問題点が、変調光を投影光路に統合するのに用いるダイクロイック・コーティングか、または照明用光路における変調されていない光を分離するために用いるダイクロイック・コーティングに該当する。ダイクロイック面が角度を変えながら入射光を受けるならば、出力特性に影響が及び、フィールドに認知できるほどの色ずれが生じる。この僅かな色のシェーディングを補正することは困難である。つまり、勾配型フィルタの設計には費用がかかり、また、可能な全体の輝度を減少させる。色の正確さに関しては、ダイクロイック面が比較的角度の小さな入射光を取り扱う場合に最適な結果が得られる。このことは、最良のフィルタ応答特性をもたらし、各カラー・チャンネルにおける望まざる色のもれを最小にする。図４を参照すれば、ダイクロイック面の波長に対する一般的な反射応答性が示されている。範囲内で入射角が変化するにつれて連続的に変化する同一のダイクロイック面の応答性は、曲線群で示している。この入射角範囲の極端部において、曲線１５０ａおよび１５０ｚが、この応答性がいかに劇的に変化するかを示している。ここでは、応答曲線は反射特性を入射角によって変化させており、一方の極端部の入射角では、曲線１５０ａに示されるように５２０ｎｍ辺りで第１の遷移が生じており、他方の極端部の入射角では、曲線１５０ｚに示されるように６２０ｎｍの真上で第１の遷移が生じている。入射光は、ある程度の範囲にわたって変化するため、例えば、緑色光が幾分赤色チャンネルに漏れ出すことは容易にあり得る。従い、当然のことだがダイクロイック面で取り扱う入射光の角度の範囲を限定すれば、最良の色に関する性能が得られる。曲線１５０ａの急峻な勾配と曲線１５０ｚのそれほど急峻ではない勾配とを比較することもまた、教訓的である。一般則として、ダイクロイック面に関する応答曲線の勾配が急になればなるほどに、スペクトル特性は良好になる。つまり、望まざる波長の漏れが少なくなる。ダイクロイック面から最良の色応答性を得るには、スペクトルのエッジをはっきりと規定することが望ましい。

輝度を最大化し、かつ、カラーコンバイナのダイクロイック面における全入射角を減少させるための方策の１つとしては、均一光の面積を大きくし、実効的にダイクロイックセパレータ面に入射する均一化された光の領域の開口数を小さくすることがある。しかし、このことは、容積および均一化構成要素のコストの増大なしでは実現が困難である。それ自体が別の問題をはらんでいる。例えば、光均一化器として積算バーを用いた場合、単に積算バーの断面を大きくするだけでは不十分である。十分な光の均質化のためには、積算バーを長くすることも必要であり、サイズ、重量、および、コストが大きくなる。同様の問題点により、他のタイプの均一化構成要素を用いた方法論も制限を受ける。このような方法論は、大きな開口数で入射光を与えている空間光変調器それ自体において光を最大にする必要性から、さらに困難なものとなっている。

要約すれば、デジタルプロジェクタのデザインに対する従来の手法には、最大の輝度で高画質を実現するためにその機能性、コスト、および、複雑性に関しある程度の妥協が含まれる。現在のデザインにおいてはある程度の色ずれを認めている。そして色ずれを補正するための従来の手法では、さらに高価なダイクロイック・コーティングを必要都市、また必然的に照明用および変調用の光路の両方において追加的な輝度の損失を伴う。よって、最大の輝度および色域を提供しつつ、低コストなダイクロイック・コーティングに内在する角度に関する制限を緩和する、デジタル投影のための、改良された照明用および変調用の光路の光学系に対する必要性が存在することが理解される。

本発明の目的は、デジタル投影システムにおいてダイクロイック面を用いた場合に、高輝度、高効率、および、はっきりと規定されたスペクトルのエッジを与えるテレセントリックな光学系を提供することである。この目的を考慮に入れて、本発明は、ディスプレイ表面に多色画像を投影する投影装置を提供する。この投影装置は、（ａ）多色光源と、
（ｂ）多色光源からの光を均一化して、均一照明領域を提供する均一化手段と、（ｃ）均一照明領域を拡大して、拡大均一照明領域を形成し、拡大均一照明領域をダイクロイックセパレータに導くベース集光リレーレンズとを備える。ダイクロイックセパレータは、第１、第２、及び第３の彩色光変調チャネルを提供し、（ｄ）各々の彩色光変調チャネルは、同様に構成され、（i）拡大均一照明領域を画像化し、彩色光変調チャネルにおける彩色光を方向付ける低減リレーと、（ii）第１の画像を形成する空間光変調器と、（iii）第１の画像の拡大実像を、ダイクロイックコンバイナに合焦して中継する拡大リレーレンズとを備える。（ｅ）ダイクロイックコンバイナは、第１の彩色光変調チャネルからの拡大実像、第２の彩色光変調チャネルからの拡大実像、及び第３の彩色光変調チャネルからの拡大実像を合成することによって、多色画像を形成する。さらに、投影装置は、（ｆ）ディスプレイ表面に対して多色画像を投影する投影レンズを備える。

別の態様から、本発明は、ディスプレイ表面に多色画像を投影する方法を提供する。その投影方法は、（ａ）多色光の均一照明フィールドを提供する提供ステップと、（ｂ）ダイクロイックカラーセパレータに対する内部画像を拡大して、第１の拡大カラー内部画像、第２の拡大カラー内部画像、及び第３の拡大カラー内部画像を得るステップと、（ｃ）第１の拡大カラー内部画像を縮小して、第１の空間光変調器での変調のために第１の低減カラー内部画像を形成し、第１のカラー変調画像を提供し、その後、第１のカラー変調画像を拡大して、拡大された第１のカラー変調画像を形成するステップと、（ｄ）第２の拡大カラー内部画像を縮小して、第２の空間光変調器での変調のために第２の低減カラー内部画像を形成し、第２のカラー変調画像を提供し、その後、第２のカラー変調画像を拡大して、拡大された第２のカラー変調画像を形成するステップと、（ｅ）第３の拡大カラー内部画像を縮小して、第３の空間光変調器での変調のために第３の低減カラー内部画像を形成し、第３のカラー変調画像を提供し、その後、第３のカラー変調画像を拡大して、拡大された第３のカラー変調画像を形成するステップと、（ｆ）拡大された第１，第２、及び第３のカラー変調画像を、単一の軸上で合成し、多色画像を形成して、その多色画像を、ディスプレイ表面に投影するステップとを含む。

本発明の特徴は、均一化手段によって形成された均一平面の像を拡大し、この像をカラーセパレータへの入力照明として提供する、二重テレセントリックな、拡大用ベースコンデンサ・リレーレンズを提供することである。縮小用リレーレンズもそれぞれ、二重テレセントリックであり、よって投影装置における照明の均一性が維持される。そして、各出力色変調光路の拡大用リレーレンズも二重テレセントリックであり、よって装置の光学系内で高度にテレセントリックな光路が持続する。

均一場の像を拡大することにより、拡大用ベースコンデンサ・リレーレンズが実効的にダイクロイックセパレータを高ｆ／＃で動作可能とし、より狭い範囲の入射角を受光し、よってダイクロイック面への入射の角度場にわたり色ずれを減少させる。これにより各カラー・チャンネルに対してさらにはっきりと規定されたスペクトルのエッジが作られ、よって照明システムの効率が向上する。

本発明の有利点として、ダイクロイックセパレータへ低ｆ／＃で光をリレーしているため、価格の低いセパレータ構成要素のダイクロイック・コーティングを使用可能なことがある。

本発明の別の有利点として、照明システム内の鍵となるポイントにおいて開口数を好都合に変更していることがある。均一化構成要素それ自体においては、高開口数がベストである。均一領域の像を拡大することで、本発明は開口数を減じてダイクロイックセパレータに像を与えているが、このことは非常に好都合なことである。それから空間光変調器それ自体における縮小により、最大輝度を得るために必要な高開口数が得られる。次に、変調像を拡大することにより、拡大像は、開口数が減少した状態でダイクロイックコンバイナのダイクロイック面に与えられ、この構成要素におけるシェーディングの影響は最小限となり、結像システムのＸキューブ光学系の製造に関する正確性への依存性は軽減される。

本発明の有利点として、小さな開口数および短い作業距離を有する投影レンズを使用可能なことがある。このようにして投影レンズに関する要件が緩和され、本発明は、これよりも要求の厳しいデザインよりもコストを節約している。加えて、交換式投影レンズを備えたプロジェクタのデザインが可能となり、それによって個々の表示環境にとって適切な投影レンズに、容易かつ経済的に交換することが可能となる。さらに、本発明は、アナモフィック投影レンズ要素のデザインに内在する複雑性を生得的に減少させている。

本発明の別の有利点として、照明用光路における均一化構成要素に対するサイズおよび重量に関する要件を軽減している。

本発明の、これらのおよび他の目的、特徴、および、有利点は、本発明の例示的実施形態について示し、かつ説明を加えている図面と併せて以下の詳細な説明を読むことで当業者にとって明白なものとなるであろう。

本明細書は、特に、本発明による装置の一部を形成する要素、又は、より直接的にその装置と連動する要素に対して行われる。特に図示又は説明されない要素は、当業者に既知の種々の形態をとることが理解されるべきである。

本発明の目的は、輝度が最大であり、ダイクロイック面の角度応答による色むら効果が最小であるカラー投影システムの照明及び変調光学系を提供することである。

図５を参照すると、本発明による投影装置１０の赤色光学経路で使用される構成要素の実行が図式的に示される。多色光源２０は、均一化光学系２２を通して光源照明を方向付ける。光源２０は、典型的に、キセノンアークランプ等のランプであるが、他の種類の高強度発光体であってもよい。好ましい実施の形態において、積算バー（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｂａｒ）が均一化光学系２２として機能してもよい。光学系設計分野では既知のように、光混合バーとも呼ばれる積算バーは、入射光を均一化し、よって、正面の空間的な均一面を提供する全反射（ＴＩＲ）効果を使用する。均一化光学系２２に対する他のオプションは、フライアイ配列等の小型レンズ、又は拡散スクリーン、積算トンネル、ファイバー光学フェースプレート、又はガラスを含む。均一化光学系２２は、その出力Ａで、光の均一平面を提供する。照明均一化のための定義又は許容誤差は、相対的であり、典型的に、中心から１０−１５％のエッジまでの照明強度における除々の減少が許容できる。テレセントリックベースの集光リレー８０（すなわち、第１の照明光学系）は、この出力をＢで画像形成し、出力Ａで、画像を拡大し、光を、ダイクロイックセパレータ２７におけるダイクロイック面３６に向ける。再び図５を参照すると、赤色光路のみが説笑みされる。残りのダイクロイック面３６を介して伝送される青色光及び緑色光は、同様の方法で、カラー画像形成分野において既知の技術を用いて、分離された変調経路を照射する。このようにして、赤色、緑色、及び青色経路に対して、出力Ａの拡大された内部画像が形成される。

光変調アセンブリ３８において、低減リレー８２（すなわち、第２の照明光路）は、その後、ダイクロイックセパレータ２７からＢに出力される彩色された光を縮小し、その光を、空間光変調器３０に向け、空間光変調器３０において、出力Ａの色低減された内部画像を効果的に提供する。各々のカラー光経路において、分離した低減リレー８２がある。図５の好ましい実施の形態において、分離光変調器３０は、偏光ビームスプリッタ２４を必要とする反射型ＬＣＤである。偏光ビームスプリッタ２４は、例えば、ユタ州、オレムのＭｏｘｔｅｋ社から入手できる、又は米国特許第６２４３１９９号に開示される、従来のＭａｃＮｅｉｌｌｅビームスプリッタ又はワイヤグリッドビームスプリッタであってよい。拡大リレーレンズ２８は、好ましい実施の形態において、ダイクロイックコンバイナ２６、Ｘキューブの近く又は内部に、空間光変調器３０の拡大された実像Ｉを形成する。拡大リレーレンズ２８は、ダブルテレセントリックであり、故に、ダイクロイックコンバイナ２６に対して向けられる変調光ビームは、テレセントリック形式である。ダイクロイックコンバイナ２６が、テレセントリック光を処理するので、角度の偏差による、拡大された実像Ｉに渡る色むらに対する、最小の傾向がある。注目に値すべきなのは、１Ｘよりも大きい拡大因数で空間光変調器３０に形成された画像を拡大することによって、拡大リレーレンズ２８は、１Ｘよりも高いｆ／＃で、効果的に、拡大された実像Ｉを合焦する。結果として、ダイクロイックコンバイナ２６は、この色チャネルに沿って、より狭いスペクトルバンドを処理し、それ故、低いｆ／＃の下で達成されるよりも大きい色域を提供することができる。さらに、拡大リレーレンズ２８の使用によって、たとえ、ダイクロイックコンバイナ２６で高いｆ／＃が達成されるとしても、空間光変調器３０でいまだ低いｆ／＃が使用されるので、光は全く失われない。結果として、ダイクロイックコンバイナ２６の出力として、より改善された拡大実像Ｉが提供される。

全体としてみると、投影装置１０は、一連の複数の中間画像を有するシステムとして考えられてもよい。照明システムにおいて、平面Ａにおける均一化光学系２２の出力は、平面Ｂにおいて、光学的に、ダイクロイックセパレータ２７に結合され、ベース集光リレー８０によって、平面Ｂに、特定の倍率Ｎｘで、白光画像として再度画像化される。ここで、Ｎは１より大きい。この光が、平面Ｂを通過し、ダイクロイックセパレータ２７の表面にぶつかるとき、３成分の色が分離される。各色のビームにとって、画像平面Ｂは、平面Ｍに位置されたそれぞれの空間光変調器３０に結合され、倍率Ｓｘで、低減リレー８２によって、再度画像化される。ここで、Ｓは１未満である。その後、各々のカラービームについて、平面Ｍにおける空間光変調器３０は、順に、拡大された実像Ｉに結合され、倍率Ｒｘで、拡大リレーレンズ２８によって、再度画像化される。ここで、Ｒは、１よりも大きい。投影装置１０において、各々の色経路における低減リレー８２、及び拡大リレー２８の設計は、それぞれ、単純である。低減リレー８２及び拡大リレー２８の各々は、単一の色経路内で使用されるので、広範なスペクトル範囲に対してこれらの成分を設計する必要性がない。実際、好ましい実施の形態において、低減リレー８２、及び拡大リレー２８の同じ基本的設計が使用される。レンズ間隔は、波長に関連した差を補償するために適当にシフトされ、各々の成分の色に対して、変調経路の出力で、同一の画像化を提供する。

また、図５の装置は、投影レンズ３２の費用、及び複雑さの要件を低減するという効果を提供する。図５の装置について、投影レンズ３２は、図示された赤色経路等の、各々の色経路において形成された拡大実像Ｉから合成された多色画像を投影するために、高いｆ／＃で、効果的に動作できる。加えて、投影レンズ３２は、多色画像をディスプレイ表面４０に投影するために、短い作動距離しか必要としない。投影レンズ３２は、一般に利用可能な光学ガラスを採用し、例えば、映画フィルム投影装置に使用される入手できる映画投影レンズに、費用と複雑さにおいて匹敵する、単純な５から７の要素のレンズであってよい。これは、典型的に複雑で費用のかかる投影レンズを必要とする従来のデジタル映画、及び大規模電子投影システムと対照的である。また、拡大リレー２８は、可視スペクトルの一部のみを処理することが意図されるので、本質的に、背景技術の欄で先に述べられた米国特許第５５９７２２２号、及び米国特許第５３５７２８９号に開示されるような、可視スペクトル全域の光に使用されるリレーレンズアセンブリよりも、複雑さがなく、従って費用も安いことに留意しなければならない。

他の種類の空間光変調器に対して、偏光ビームスプリッタ２４は必要とされない。ＤＭＤ装置、又は透過型ＬＣＤが、空間光変調器３０として採用されるとき、その後に示されるように、低減リレー８２からの光が、空間光変調器３０に直接進む。ＤＭＤが空間光変調器３０として使用されるとき、デジタル投影分野で既知の、偏光ビームスプリッタ２４に対する全反射（ＴＩＲ）ビームスプリッタの代替等の、適当な適応が画像形成光路になされる。

図６を参照すると、３色全ての変調経路を示す投影装置１０のブロック図が示される。光源２０からの均一化された光は、ダイクロイックセパレータ２７で、赤色光、緑色光、及び青色光に分離される。赤色光変調アセンブリ３８ｒにおいて、赤色低減リレー８２ｒは、赤色光を縮小し、この光を、赤色空間光変調器３０ｒに導き、赤色偏光ビームスプリッタ２４ｒは、赤色光軸Ｏｒに沿って、変調光を提供する。その後、赤色拡大リレーレンズ２８ｒは、赤色光軸Ｏｒの変調光を、ダイクロイックコンバイナ２６に導く。もし必要なら、光路に、回転ミラー３１２が使用されてもよい。同様に、緑色光変調アセンブリ３８ｇにおいて、緑色低減リレー８２ｒは、緑色光を縮小し、その光を、緑色空間光変調器３０ｒに導く。緑色偏光ビームスプリッタ２４ｇは、緑色光軸Ｏｇに沿って、変調光を提供する。その後、緑色拡大リレーレンズ２８ｇは、緑色光軸Ｏｇにおける変調光を、ダイクロイックコンバイナ２６に導く。図６に示されるように、好ましい実施の形態において、ダイクロイックコンバイナ２６は、図５で示されたようなこのために従来採用されたＸプリズムではなくて、Ｖプリズムである。同様に、青色変調アセンブリ３８ｂにおいて、青色低減リレー８２ｂは、青色光を縮小し、その光を、青色空間光変調器３０ｂに導く。青色偏光ビームスプリッタ２４ｂは、青色光軸Ｏｂに沿って、変調光を提供する。その後、青色拡大リレーレンズ２８は、青色光軸Ｏｂの変調光を、ダイクロイックコンバイナ２６に導く。多色拡大実像Ｉｒｇｂは、その後、投影レンズ３２によって、ディスプレイ表面４０に投影される（図６は、図式的な図であり、各々の変調色の相対的な経路長を示すためのものではないことに注目しなければならない。最良の配置は、光学設計分野で既知のように、全ての色の光について、等しい光路長を有する。好ましい実施の形態において、図７及び図８を参照して後述されるように、光路長は、各々の色について等しい）。

好ましい実施の形態において、Ｖプリズムダイクロイックセパレータ２７は、スペクトルバンド領域エッジを有する複数の色を定義する。図示されるように、Ｖプリズムダイクロイックセパレータ２７は、通常、光学的品質ガラスからなる３つのプリズムの間に挟まれた、２つの内部コートされた表面を有する。例えば、ダイクロイックセパレータ２７の第１の内部表面で、プリズム基板に位置された光学コートは、赤色光と緑色光を透過する一方、青色光を反射する。ダイクロイックセパレータ２７の直交する第２の内部表面上の光学コートは、次に、青色光と緑色光を透過する一方、赤色光を反射する。しかし、改善されたシステム色域にとって、ダイクロイックセパレータ２７からの分離された光のさらなるフィルタ処理が、カラーフィルタを用いて完了する。図６に示された投影装置１０の各々の色経路において、カラーフィルタによってフィルタ処理が提供される。赤色光変調アセンブリ３８ｒは、赤色フィルタ６２ｒを備え、緑色光変調アセンブリ３８ｇは、緑色フィルタ６２ｇを備え、青色光変調アセンブリ３８ｂは、青色フィルタ６２ｂを備える。色フィルタ６２ｒ、６２ｇ、及び６２ｂは、例えば、バンドエッジ又はバンドパスフィルタであってよい。

要約すると、本発明の投影装置１０は、複数の設計上の特徴を組み込み、任意の潜在的色むらを制限する。照明システムにおいて、ベース集光リレー８０は、空間光変調器３０で必要とされるよりも大きいダイクロイックセパレータ２７に、光ビームを提供する。これは、ダイクロイックセパレータ２７を介して、角度（開口数）を低減し、内部コートの製造を容易にし、角度によって変化する色応答を低減する。同様に、ダイクロイックコンバイナ２６で開口数を低減し、よって、上述のダイクロイックコンバイナ２６を介して角度によって変化する色応答を低減するように、画像化、又は拡大リレー２８によって提供される光ビームが、空間光変調器３０で必要とされる光ビームサイズと比較して拡大される。その後、さらに説明されたように、好ましい実施の形態において、光学システムは、ダイクロイックセパレータ２７及びダイクロイックコンバイナ２６の両方で通常テレセントリックである光ビームを条件付ける。図２ａから図２ｄに関連して述べられたように、光がテレセントリック空間に位置されたダイクロイック面と互いに影響するとき、色むらのさらなる低減を助ける、全てのフィールドポイントで等しい開口数の光を提供するので、テレセントリックは、効果的である。本発明の投影装置１０は、色むらを軽減する設計上の特徴が提供される。さらなる例の１つとして、ダイクロイックセパレータ２７が、入射白色光を、３つの色ビームに分離した後、個々の色スペクトルを明確にするために使用される色フィルタ６２ｒ、６２ｇ、及び６２ｂの各々は、通常の入射ダイクロイックフィルタである。従って、（通常、光ビームに対して４５°である）斜面に位置されたコートされた表面を有するダイクロイックセパレータ２７、及びダイクロイックコンバイナ２６内のダイクロイックコートされた表面と比較して、通常の入射処理は、角度によって変化する色応答に対する潜在性を低減する。さらに、これらの色フィルタ６２は、画像化されたフィールド（低減された色むら）に渡って、角度により変化する色応答を低減するために、優先的に、テレセントリック空間におけるダイクロイックセパレータ２７又は空間光変調器３０（図６を参照）の近くに位置される。また、後述されるように、投影装置１０は、設計の色偏光側面、Ｖプリズムの構成における合焦されたシリカガラスの使用を含む、色むらを緩和する他の特徴が提供される。

本発明の投影装置１０は、好ましくは、デュアルカラー偏光光学アプローチと共に設計される。ここで、第１のカラーバンドは、第１の偏光状態の光を有し、第２及び第３のカラーバンドは、第２の偏光状態の光を有する。より詳細には、２つの偏光状態は、直交する方向であり、第１のカラーバンドは、通常の緑色光スペクトルを備える（Ｓ偏光は、入射光が相互作用する入射表面に常に平行な偏光状態に相当し、Ｐ偏光は、入射表面に「突入」しうる偏光状態であることに留意すべきである。）。特に、好ましい実施の形態において、Ｖプリズムダイクロイックセパレータ２７は、Ｓ偏光状態を有する赤色光及び青色光を提供し、その一方で、緑色光はＰ偏光を有する。同様に、ダイクロイックコンバイナ２６は、好ましくは、Ｓ偏光を有する赤色光と青色光とを合成し、緑色光はＰ偏光を有する。この構成は、色応答が、ダイクロイックセパレータ２７及びダイクロイックコンバイナ２７内で光学コートに対してカーブするとき、部分的に分離される。特に、青色スペクトル領域、及び赤色スペクトル領域が、それぞれのコートのＳ偏光応答によって定義される。そして、これらのスペクトルは、使用されるダイクロイックセパレータ２７を励起する緑色光がＰ偏光であるので、緑色スペクトルを低減することなしに、緑色にずれ込む場合がある。ダイクロイックセパレータ２６の緑色チャネルを励起する光は、緑色のＳ偏光と、緑色のＰ偏光とを備えるが、設計によって、緑色のＰ偏光スペクトルは、緑色のＳ偏光スペクトルよりも広く、高い青色波長と、低い赤色波長にずれ込む場合がある。同様に、青色チャネル及び赤色チャネルにおけるダイクロイックセパレータ２７から発生する光は、Ｓ偏光とＰ偏光の両方を含むが、Ｓ偏光スペクトルは、Ｐ偏光スペクトルよりも広く（光がより多い）、２つの色は、一般的に、Ｓ偏光であると考えられる。要するに、ダイクロイックセパレータ２７は、好ましいＳＰＳ偏光構成を有する赤色、緑色、及び青色ビーム（ＲＧＢ）を提供するといえる。

空間光変調器での偏光状態は、偏光ビームスプリッタ２４によって定義される。（図１２に示される）本発明の好ましい実施の形態において、偏光ビームスプリッタ２４は、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタである。米国特許第６２４３１９９号（Ｈａｎｓｅｎ等）、及び米国特許第６５３２１１１号（Ｋｕｒｔｚ等）を含む従来の特許で説明されたように、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタは、好ましくは、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する。光学システムは、図１２に示されるように、空間光変調器３０から発生する画像化光が、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ２４から離れるように反射され、その後、拡大リレーレンズ２８を通過するように構成できる。この構成は、コントラストが高いとき、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ２４を介した透過構成と比較して、好ましい。従って、最適な動作について、空間光変調器３０に入射する光は、各々の色チャネルにおいて、Ｐ偏光（ワイヤグリップ偏光ビームスプリッタを介して透過される）であり、空間光変調器３０から発生し、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタから外れるように反射される画像光は、各々のカラーにおいてＳ偏光である（図１２を参照）。

実際の機械設計が、ダイクロイックセパレータ２７、及びダイクロイックコンバイナ２６におけるＳ偏光及びＰ偏光が、偏光ビームスプリッタ２４におけるＳ偏光及びＰ偏光に対して、反対の意味を有するように、反射の構成に応じて偏光状態の方向を切り替える。従って、ダイクロイックセパレータ２７は、（最も多くの光を有する各々の色における偏光方向に対する）ＳＰＳ方向の赤色光、緑色光、及び青色光（ＲＧＢ）を出力する。図１２のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタにおいて、透過されたＰ偏光は、最大化される必要がある。方向の変化が、それぞれの偏光ビームスプリッタ２４に対して入射されるＲＧＢ／ＰＳＰとして、ダイクロイックセパレータ２７から出力されるＲＧＢ／ＳＰＳを定義するとき、緑色チャネルは間違った方向である。従って、システム光効率を最大化するために、ダイクロイックセパレータ２７から発生するＰ偏光緑色光は、Ｓ偏光に変換される必要がある（その後、偏光によって、偏光ビームスプリッタにおいてＰ偏光になる）。それ故、投影装置１０は、緑色チャネル半波プレート６４ｇ（図６参照）又は、緑色光の偏光状態を回転する緑色チャネルカラー選択偏光フィルタ６０ｇ（図１２参照）が提供される。

その後、各々のチャネルにおける光は、１以上の偏光器（図６で使用される偏光ビームスプリッタ２４、又は図１２で使用される偏光ビームスプリッタ２４及びプレ偏光器）にぶつかり、定められた偏光状態の光が除去される。好ましい構成において、各々の色チャネルにおいて、Ｓ偏光は除去され、Ｐ偏光は、空間光変調器３０に提供される。空間光変調器３０は、画像データで変調され、それによって、ある光がＳ偏光に変換される一方、他の光がＰ偏光に保持される。好ましくは、高コントラストのシステムにとって、空間光変調器３０は、暗状態（オフ状態電圧）から明状態（オン状態電圧）に駆動される。再び図１２を考慮すると、画像ベアリングＳ偏光は、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ２４から拡大リレー２８に反射される。従って、新しく発生するカラービームは、ＲＧＢ／ＳＳＳ偏光方向を有する。ダイクロイックセパレータ２７と同じであってよいダイクロイックコンバイナ２６は、ＲＧＢ／ＳＰＳ方向を好む。ダイクロイックコンバイナ２６内のダイクロイック面の内部方向は、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ２４からＲＧＢ／ＳＳＳ生成のカラービームが、ダイクロイックコンバイナ２６に対して、ＲＧＢ／ＰＰＰとして現れることを意味する。これは、緑色光ビームは、正確な偏光方向を有するが、赤色ビーム及び青色ビームは、直角に間違って位置合わせされることを意味する。よって、投影装置１０は、さらに、赤色ビーム及び青色ビームの偏光方向を補正するために、半波プレート（図６における６４ｂ及び６４ｒ）、又は色によって選択できる偏光フィルタ（図１２における６０ｂ及び６０ｒ）と共に構成されてよい。

先に説明されたように、第１のカラーバンドが第１の偏光状態の光を有し、かつ第２及び第３のカラーバンドが第２の偏光状態の光を有する、デュアルカラー偏光光学アプローチを有する投影装置１０を設計することが好ましい。さらに、より詳細には、カラー光ビームトラバースダイクロイックセパレータ２７、及びダイクロイックコンバイナ２６として、Ｓ偏光状態有する赤色光及び青色光、並びにＰ偏光状態を有する緑色光を有することが好ましいことが説明された。これは、緑色スペクトル設計が、赤色及び青色スペクトル設計から部分的に分離され、カラーバンドの各々が、重なる程度まで広げられるからである。その後、投影装置１０に、カラースペクトルの各々の、及び結合された色域を分類かつ定義する上述のカラーフィルタ６２ｒ、６２ｇ及び６２ｂが提供される。従って、緑色スペクトルを有する赤色スペクトルと青色スペクトルのそれぞれの重なりの程度は、低減、あるいは除去も可能である。また、ダイクロイックセパレータ２７及びダイクロイックコンバイナ２６を介したデュアルカラー偏光垂直構成（ＲＧＢ／ＳＰＳ）は、スペクトル曲線の角度の減退が隣接する色にでる（図４参照）ことが可能である場合に、システムの感度を、色むらまで低減することを助ける。その後、各々の色における角度による色の変化は、通常の入射カラーフィルタ６２ｒ、６２ｇ、６２ｂ、及びトラバースダイクロイックセパレータ２７及びダイクロイックコンバイナ２６を介して提供されるテレセントリック光の使用によって、十分低減される。代わりに、ダイクロイックセパレータ２７は、例えば、同じ偏光等の他の偏光特性を有する彩色された光を提供するように設計できることに留意すべきである。しかし、これは、内部のダイクロイックコートがより困難であるため、より費用のかかる製造を必要とする。例えば、ダイクロイックセパレータ２７は、共通の偏光状態（例えば、Ｓ偏光）を有する３色全ての色を提供するように設計できる。これは、光源２０からの光の偏光変換（例えば、Ｏｇａｗａによる米国特許第５９７８１３６号参照）が採用される一方で、光学的部品（緑色の半波プレート６４ｇ）が除去されるとき効果がある。

先の背景技術の欄で述べられたように、投影装置１０は、輝度を最大にし、色むら及びそれに関連する異常を最小にすることによって、高いレベルの性能を提供する。しかし、従来の設計アプローチを用いるので、ダイクロイックセパレータ２７又はダイクロイックコンバイナ２６におけるダイクロイック面は、輝度を制約する。システムにおいて利用可能な光の輝度を増すことは、許容できる費用で、種々のダイクロイック面における入射光の角度をより高くする。結果として生じる、フィールドに渡る色のシフトは、色性能を低下させ、システム全体の効率を低下させる。図５及び図６の配置は、システムにおける要点で、光の入射角を条件付けることによってこの問題を克服する。まず、均一化光学系２２が、低ｆ／＃で動作するとき、最大の均一化が達成される。図５及び図６の構成を用いて、均一化光学系２２、好ましい実施の形態における積算バーは、約ｆ／１．３１で効果的に動作する。この低いｆ／＃は、積算バーを介して光が伝達し、その結果、バーを通った複数の反発を有し、積算バーの寸法が最小化されることを可能にする。しかし、これは、また、大きい入射角で、均一化された光が発生することを示す。これは、ダイクロイックセパレータにとって不都合である。同時に、均一化光学系２２の出力Ａにおける表面の大きさは、対応する空間光変調器３０，３０ｒ，３０ｇ，及び３０ｂの画像化表面の大きさに対して小さい。これらの角度及び大きさの不利を補正するために、ベース集光リレー８０は、均一化光学系２２の均一化された出力に、約Ｎｘ＝３．５ｘの倍率を提供する。この倍率は、効果的に、従来のダイクロイック面の許容範囲内である平面Ｂｆ／４．６におけるダイクロイックセパレータ２７に入射光を提供する。しかし、出力Ａの拡大画像は、空間光変調器３０，３０ｒ，３０ｇ，３０ｂの表面と比較して大きすぎる。それ故、低減リレー８２，８２ｒ，８２ｇ，８２ｂは、Ｓｘ＝０．５ｘの倍率を提供する。これは、均一化光学系２２の出力の画像サイズを低減するだけでなく、ほとんどのＬＣＤと他の空間光変調器３０，３０ｒ，３０ｇ，３０ｂにとって許容範囲内である、約ｆ／２．３で照明を伝える、空間光変調器３０，３０ｒ，３０ｇ，３０ｂに提供された照明の入射角度を増す。従って、要点で、均一化された照明出力を拡大及び縮小することによって、本発明の外観は輝度を最適化し、退色を最小化する。もしそうでなければ、ダイクロイックセパレータ２７における大きい入射角によって引き起こされる。各々のカラー光変調経路（例えば、赤色、緑色、及び青色）は、別個の低減リレー８２ｒ，８２ｇ，８２ｂを有することが強調されねばならない。この配置は、各々のリレー８２ｒ，８２ｇ，８２ｂを、特定の範囲の波長について最良の性能をもつように設計されるように低減することを可能にする。

その後、合成された多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂが、各々の空間光変調器３０ｒ，３０ｇ，３０ｂを、それぞれの拡大リレー２８を用いて、通常の倍率Ｒｘ＝２ｘで、再度画像化することによって形成される。投影レンズ３２の斜視図から、合成された多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂは、各々の色経路における個々の拡大された実像が、ダイクロイックコンバイナ２６の空間的位置に相対的に形成される場所に応じて、実像または虚像であってよい。合成された多色拡大画像Ｉｒｇｂは、個々の拡大された実像Ｉが、ダイクロイックコンバイナ２６の全面と投影レンズ３２の背面の間にいつ形成されるとしても実像を形成する。この配置は、図６において、合成された多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂの位置によって示される。対照的に、もし、個々の拡大実像Ｉが、拡大リレーレンズ２８ｒ，２８ｇ，２８ｂの全面と、ダイクロイックコンバイナ２６の全面との間で形成されるなら、合成された多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂは、投影レンズ３２に関して実像である。すなわち、そのような場合において、合成された多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂの実際の空間「位置」は存在しない。代わりに、ダイクロイックコンバイナ２６は、結合された多色拡大虚像Ｉ_ｒｇｂとして、各々の色経路における個々の拡大実像を結合するように動作する。

合成された多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂが実像であろうと虚像であろうと、その後、投影レンズ３２は、合成された多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂが一体いつ形成されたかということから、合成された多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂをディスプレイ表面４０に投影するために必要な背面焦点距離と共に設計される。投影レンズ３２は、画像投影技術において周知である投影された画像のアスペクト比を調整するアナモルフィックな付属品を含んでもよい。

上述したように、合成された多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂは、通常、空間光変調器３０によって提供されるエリア画像の２倍の大きさの実像である。結果として、投影レンズ３２の第１のレンズ部品は、特に、フィルム投影に使用される標準的な映画レンズと比較したとき、相対的に大きい場合がある。しかし、投影レンズ３２内部のレンズ部品のほとんどは、標準的な映画レンズで使用されるレンズ部品に対して、大きさ及び耐性で匹敵する。拡大された、結合多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂに近接して位置されるとき、ダイクロイックコンバイナ２６も、相対的に大きい場合がある。しかし、ダイクロイックコンバイナ２６（図５のＸプリズム構成、又は図６のＶプリズム構成のいずれを使用しようと）の製造は、その構成要素における光が低減されたｆ／＃を有するため、非常に簡素化される。例として、投影装置１０は、空間光変調器３０において、ｆ／２．３で動作し、拡大リレー２８レンズの倍率は、Ｒｘ＝２ｘであるとき、ダイクロイックコンバイナ２６に入射されるビームは、相対的にスローＦ／４．６である。

現実的な例として、内部倍率Ｒｘ＝２ｚである、１．３”対角線を有する空間光変調器を用いる投影装置１０にとって、平面Ｉにおける合成された多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂは、２．６”の画像対角線を有する。ダイクロイックコンバイナ２６は、相対的に大きいけれども、実際には、空間光変調器３０と投影レンズ３２の間に偏光ビームスプリッタ２４とダイクロイックコンバイナ２６の両方が位置される、従来の投影システムで使用される同様のコンバイナと比較できる大きさである。他方、サイズは比較できるけれども、その速度は、拡大リレーレンズ２８の倍率Ｒｘによって低減され、それにより、磨かれたガラスとコーティングの両方についての、製造要件を容易にする。例示のシステムにおいて、照明システムは、平面Ｂから空間光変調器３０のＳｘ＝０．５ｘの倍率と、空間光変調器３０から合成された多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂへのＲｘ＝２．０ｘの倍率を有する。これは、ダイクロイックセパレータ２７とダイクロイックコンバイナ２６が、同じ大きさであり、図６に示されるように、同一の部品であってもよいことを意味する。

本発明によって可能になった高いｆ／＃の要件、より小さな相対的サイズ、低減された構成要素の数、及び緩和された耐性は、デジタル投影のための投影レンズ３２設計の費用及び複雑さを低減する。それ故、投影レンズ３２は、例えば、異なるスクリーンサイズ等のために、容易に交換可能であるように設計できる。

図７及び図８を参照すると、２つの異なる斜視図から、好ましい実施の形態でパッケージ化される光変調アセンブリ３８ｒ，３８ｇ，３８ｂと、照明経路部品の配置が示される。

図９を参照すると、好ましい実施の形態におけるベース集光リレー８０と低減リレー８２の重要な部品の斜視図を示す。この構成において、ベースコンデンサ８０は、レンズ８０１１，８０１２，８０１３から成る。２つのミラー８０ｍ１，８０ｍ２は、光経路を曲げて、その光をダイクロイックセパレータ２７に導く。ここで、ダイクロイックセパレータ２７は、透過プリズム４２内に内部ダイクロイックメン３６を有する。

低減リレー８２は、曲げミラー８２ｍとアパーチャ８２ａと共に、２つのレンズ８２１１，８２１２から成る。また、低減リレー８２は、ダイクロイックセパレータ２７の角度応答特性によるカラーシフトを最小化し、空間光変調器３０の角度応答によるコントラスト損失を最小化することを助ける二重テレセントリックである。

ダイクロイックコンバイナ２６とダイクロイックセパレータ２７は、共に、Ｘキューブ若しくはＸプリズム、フィリッププリズム、又は、ダイクロイックコートされた、プリズムというよりむしろ光学プレートの配置等の、色分離機能を提供するダイクロイック面３６の配置であってよい。一般的に、照明システムが、画像形成システムよりも、より緩和された製造耐性及び異なる構成を、より容易に受け入れるので、ダイクロイックコンバイナ２６よりもダイクロイックセパレータ２７に対しての方が、代替の制約を使用することが自由である。ダイクロイックコンバイナ２６及びダイクロイックセパレータ２７に対して基板（プリズム若しくはプレート）に使用される光学材料の選択は、特に、応力複屈折、及び色若しくはコントラストのむらを避けることについて、重要でありうる。

図１０を参照すると、フィリッププリズム５０が、ダイクロイックコンバイナ２６として配置される投影装置１０の別の実施の形態が示される。図１０で提案されたように、種々の光学軸Ｏ_ｒ及びＯ_ｂは、光学分野で周知のように、フィリッププリズム５０に関して、斜めの角度を有する。

図１１を参照すると、投影ＬＣＤが、空間光変調器３０ｒ、３０ｇ、３０ｂとして働く投影装置１０のさらに別の実施の形態が示される。いくつかの種類の偏光器が提供されなければならない。例えば、図１１において、偏光ビームスプリッタ２４ｒ，２４ｇ，２４ｂが示される。しかし、光学分野で周知の他の適当な配置が好まれてもよい。

図１２，図１３を参照すると、各々の色経路内に、いくつかの代替の及び任意の構成要素が配置される投影措置１０の追加の別の実施の形態が示される。図１２において、偏光ビームスプリッタ２４ｒ，２４ｇ，２４ｂは、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタとして、より正確に表現される。追加の偏光装置は、各々の色経路において、プレ偏光器７０及び解析器７２を含む。プレ偏光器７０及び解析器７２は、好ましくは、両方とも、従来のコートベースの偏光部品よりもむしろ、ワイヤグリッド偏光装置である。あるいは、プレ偏光器７０、解析器７２、又は偏光ビームスプリッタ２４に対して、３Ｍによって開発された巨大な複屈折率偏光器を使用することが可能であってよい。（Ｊｏｎｚａ等に対する）米国特許第５９６２１１４号は、そのような偏光装置の例を提供する。もちろん、これらの巨大な複屈折率偏光器は、デジタルシネマ（又は、他の大スクリーン）の厳しい仕様に見合うように機能するために、名目上ワイヤグリッドに匹敵する高いコントラストと熱ロバストを共に必要としてもよい。

図１２と図１３の両方に示される別の部品の代替要素として、各々の赤色経路、緑色経路、及び青色経路は、赤色、緑色、又は青色選択偏光フィルタ６０ｒ，６０ｇ，６０ｂをそれぞれ採用する。色選択偏光フィルタ６０ｒ，６０ｇ，又は６０ｂは、例えば、（共にＪｏｈｎｓｏｎ等の）米国特許第５２４３４５５号、及び米国特許第５１３２８２６号、並びに（共にＳｈａｒｐ等の）米国特許第６４１７８９２号、米国特許第５６５８４９０号に開示され、例えば、コロラド州、ボールダ、カラーリンク社から、ＣｏｌｏｒＳｅｌｅｃｔ^ＴＭカラーフィルタとして手に入れることができるリターダスタックフィルタであってよい。カラー選択偏光フィルタ６０ｒ，６０ｇ，又は６０ｂを使用することは、単一の部品が、カラーフィルタ処理、及び選択性偏光変調を実行することを可能にする。例えば、図１２に示される赤色選択偏光フィルタ６０ｒは、図６のシステムに示された赤色フィルタ６２ｒ、赤色半波プレート６４ｒの両方に取って代わってもよい。この構成使用すると、赤色選択偏光フィルタ６０ｒは、赤色光にとって、ダイクロイックコンバイナ２６の好ましい偏光状態に合うように、変調された赤色光ビームをＳ偏光になるように回転することによって、半波プレート６４ｒの機能を果たす。また、赤色選択偏光フィルタ６０ｒは、赤色スペクトル、従って、色域の赤部分を定義する赤色フィルタ６２ｒの機能を果たす。

あるいは、再び図１２及び図１３の両方に示されるように、色選択緑偏光フィルタ６０ｇ２は、ダイクロイックコンバイナ２６の後ろ、好ましくは、投影レンズ３２の前に提供された。色選択緑色偏光フィルタ６０ｇ２は、ダイクロイックコンバイナ２６から発生する変調されたＰ偏光の緑色光を、Ｓ偏光緑色光に変換する。この配置を用いると、投影装置１０からの変調校は、３色全てに対して一致した偏光状態（Ｓ偏光）を有する。この効果は、例えば、ディスプレイ表面４０が、高ゲインスクリーンで特徴的であってよい偏光感度を示す場合に、有用である場合がある。

図６，図１０−１３に関して、理想的な配置が、赤色、青色、及び緑色変調にとって、等しい長さの光学経路を提供することが留意されなければならない。この設計原理は、図６、及び図１０−１３の図面に表示することが困難である。この設計原理には、図７及び図８に示された好ましい実施の形態の部品パッケージ配置で可能である場合に従う。最適な配置は、各々のカラー変調チャネルにおいて、十分にテレセントリックな光路を提供することであるけれども、例えば、投影装置１０にとって、１つ又は２つのカラーチャネルにおいて、この配置を提供することが有利でありうることが理解されるべきである。あるいは、テレセントリシティーが、画像形成光学システム、及び照明光学システムの両方の動作に、重要な効果を与えることができる一方、照明システムにおけるこの要件を緩和し、よって、投影装置１０の一部を簡略化する機会があってもよいことに留意すべきである。

その後、これらの改良と共に、本発明は、投影装置１０の画像形成性能を促進し、特に、中間の画像形成光学系、色むら妨害、ワイヤグリッド偏光器、及び偏光ビームスプリッタを使用しない、他の偏光ベースの投影システムに匹敵する物として、最小のコストで、簡単で、より小型な光学設計を可能にする。

ベース集光リレー８０によって提供される倍率の量は、１Ｘよりも大きい任意の値であってよく、画像形成経路における均一化光学系２２及び他の部品の寸法及び特性に十分適合すべきである。同様にて、低減リレー８２ｒ，８２ｇ、８２ｂ、及び拡大リレーレンズ２８ｒ，２８ｇ，２８ｂで提供される縮小は、それぞれの光変調アセンブリ３８ｒ，３８ｇ，及び３８ｂ内の部品の特性に見合うように適合されるべきである。

投影装置１０内の空間光変調器３０ｒ，３０ｇ，３０ｂから、及び偏光ビームスプリッタ２４ｒ，２４ｇ，２４ｂからの偏光部品の熱分離は、複屈折に起因する色シフト、及び他の異常を低減することにおいて、特に効果的であることがわかった。好ましい実施の形態は、例えば、絶縁取り付け機構、ヒートシンク部品、及び空調を使用する。また、熱は、ダイクロイックコンバイナ２６及びダイクロイックセパレータ２７で使用されるプリズムのための応力複屈折の潜在的源としても識別される。この問題を最小にするために、図６で示されるようなダイクロイックセパレータ２７の好ましい実施の形態は、従来の種類のプリズムガラスについて、アモルファス融解シリカガラスを使用する。なぜなら、融解シリカは、他の種類のガラスと比較したとき、特性的に、より低い吸収を有するからである。また、同様に、ダイクロイックコンバイナ２６は、融解シリカから成り、さらに、色むらの低減を助けてもよい。

同様に、偏光器７０が十分な光吸収を有する場合に、偏光器７０がワイヤグリッド装置であるとき発生しうるように、結果として生じる熱が、偏光ビームスプリッタ２４及び空間光変調器３０を保持する規格的アセンブリに熱的に運搬できる。この運搬された熱は、空間光変調器３０ｒ，３０ｇ，３０ｂの各々を移動させることができ、スクリーンで見られるカラー画像の収束を取り除くことができる。確かに、この効果を軽減するために採用できる多数の潜在的な設計アプローチがある。可能性は、図１２に示されるように偏光ビームスプリッタ７０、及び空間光変調器３０の近くの初期位置から、システムにおける他の位置に偏光器を移動させることを含む。例えば、青色チャネルにおいて、偏光器７０は、直接的な熱結合が存在しないように、偏光ビームスプリッタ２４ｂ、及び空間光変調器３０ｂを含むアセンブリから、離れるように移動しうる。偏光器７０は、実際には、例えば、低減リレー８２ｂ内等の、照明光学系内の新しい取り付け位置まで、アップストリームに移動できる。偏光器７０を、低減リレー８２ｂ内の内部開口絞りに位置することは、偏光器７０の任意の角度応答偏差が最小化されるので、効果的である場合がある。しかし、この方法で、アップストリームに偏光器７０を位置することは、介入する光学部品（例えば、レンズ）が、複数の偏光された光を低減しうる熱的応力複屈折の機構を経験しうるという考えを導入する。

空間光変調器３０が、おそらく、所望の投影画像のアスペクト比に対応する（高さに対する幅の）アスペクト比をもたないことに留意すべきである。例えば、空間光変調器３０は、１．３３：１のアスペクト比を有してもよい。比較すると、「フラット」として知られる最も一般的な映画フィルム投影フォーマットは、１．８５：１のアスペクト比を有する。この問題は、投影装置１０に、投影レンズ３２（図６参照）の後でアナモフィックな結合レンズ（図示されない）を結合して、空間的にリサイズされた画像データを空間光変調器３０に供給することによって対応できる。その後、例として、１．３９；１の１つのダイクロイック倍率を有するアナモフィックな結合レンズは、所望の１．８５：１の投影画像を提供する。しかし、２．３９：１の「シネマスコープ」フォーマットを含む、他の半一般的映画画像フォーマットが存在する。対応する（１．７９：１の一次元拡大を有する）アナモフィックな結合の提供を避けるために、画像は、変調器を満たすことに基づいて、効果的に、変調器３０について、１．７２：１のアスペクト比でフォーマットされてもよい。画像データを受け取らない変調器の画素は、「黒」（オフ状態）に設定され、電子的にレターボックスを付けることを提供する。しかし、実際の操作において、投影装置１０の制限（例えば、２０００：１）に従って「黒」である電子的にレターボックスを付けることは、特に、暗い映画の黒い背景と比較するとき、目の肥えた視聴者によって、黒が不十分であると考えられる場合がある。この問題を緩和する１つの手段として、投影装置１０が、さらに、空間光変調器３０に提供される画像に機械的にレターボックスを付ける機械的なアパーチャが取り付けできることである。例えば、図１２に示されるシステムにおいて、レターボックスアパーチャ８６が、合成された多色拡大画像Ｉ_ｒｇｂに提供され、それは、画像の２つの側（例えば、上部と底部）に、再び画像化された空間光変調器３０からの光を切り取ることができる。あるいは、レターボックスアパーチャは、透過型ＬＣＤ等の光学装置であってよいが、その結果は、機械的アパーチャよりも、ずっと光の効率が悪い。また、レターボックスアパーチャ８６は、均一化光学系２２、又は、色変調経路の各々の内部の内部画像において、照明システムに位置されてもよい。たいがい、実際には、電子的なレターボックスは、迷光効果とエッジアパーチャ効果が、最小化されるので、レターボックスアパーチャ８６と組み合わせて使用される。

図示、又は詳細に説明されないが、多くの追加の支持偏光部品が、従来、ＬＣＤ空間光変調器３０のコントラスト及び性能を改善するために使用される。偏光器（図示せず）は、低減リレー８２の前又は後の各々の色経路において、均一化光学系２２とベース集光リレー８０との間に、随意的に配置されてよい。本発明は、空間光変調器３０によって変調するソースカラーの光を提供するために、適当な種類の照明システムの使用を可能にする。光源２０は、種々の種類のランプ、フィルタ、ＬＥＤ、レーザ又は他の照明部品を含んでもよい。拡大された、又は代替の色域にとって、３色以上の光変調経路が提供されてもよい。

従って、提供されるものは、改善された投影装置、及び白色光源から、高強度、高効率、先鋭に区画されたスペクトルエッジを有するカラー照明を提供する照明システム、並びに、ディスプレイ表面に、投影する適当な画像を提供する拡大リレーレンズを有する変調光学系を用いて、デジタル画像投影する方法である。

従来の、先行技術によるデジタル投影装置の主要構成要素を示す概略的ブロック図である。 ダイクロイック・コーティングに、２つの異なるｆ／＃値で入射する光を示す光線図である。 ダイクロイック・コーティングに、２つの異なるｆ／＃値で入射する光を示す光線図である。 ダイクロイック・コーティングへの、非テレセントリック光およびテレセントリック光の入射を示す光線図である。 ダイクロイック・コーティングへの、非テレセントリック光およびテレセントリック光の入射を示す光線図である。 理想的なＸキューブの結像応答性を示す図である。 僅かに位置合わせに誤差を含んでいるＸキューブの結像応答性を示す図である。 入射角の範囲における、ダイクロイック面に対する波長とｓ極性反射率を示すグラフである。 照明用、および、ある変調用の光路において鍵となる構成要素を示す概略図である。 本発明による投影装置の鍵となる構成要素を示す概略図である。 本発明を用いた照明用光学系に可能な構成の１つを示す側方斜視図である。 本発明を用いた照明用光学系に可能な構成の１つを示す前方斜視図である。 照明用光路における、幾つかの鍵となる構成要素を示した斜視図である。 フィリップス・プリズムを用いた、本発明の代替的実施形態における投影装置の鍵となる構成要素を示す概略図である。 透過型ＬＣＤを空間光変調器として用いた、本発明の代替的実施形態における投影装置の鍵となる構成要素を示す概略図である。 各色光路において予備的偏光器および分析器を用いた、本発明の別の代替的実施形態における投影装置の鍵となる構成要素を示す概略図である。 各色光路において二分の一波長板と組み合わされたカラーフィルタを用いた、本発明の別の代替的実施形態における投影装置の鍵となる構成要素を示す概略図である。

符号の説明

１０ 投影装置
２０ 多色光源
２２ 均一化光学系
２４ 偏光ビームスプリッタ
２６ ダイクロイックコンバイナ
２７ ダイクロイックセパレータ
２８ 拡大リレー
３０ 空間光変調器
３２ 投影レンズ
４０ ディスプレイ表面
８２ 低減リレー

Claims (3)

1. ディスプレイ表面に多色画像を投影する投影装置であって、
   （ａ）多色光源と、
   （ｂ）前記多色光源からの光を均一化して、均一照明領域を提供する均一化手段と、
   （ｃ）前記均一照明領域を拡大して、拡大均一照明領域を形成し、前記拡大均一照明領域をダイクロイックセパレータに導くベース集光リレーレンズと
   を備え、
   前記ダイクロイックセパレータは、第１、第２、及び第３の彩色光変調チャネルを提供し、
   （ｄ）各々の彩色光変調チャネルは、同様に構成され、
   （i）前記拡大均一照明領域を画像化し、前記彩色光変調チャネルにおける前記彩色光を方向付ける低減リレーと、
   （ii）第１の画像を形成する空間光変調器と、
   （iii）前記第１の画像の拡大実像を、ダイクロイックコンバイナに合焦して中継する拡大リレーレンズと
   を備え、
   （ｅ）前記ダイクロイックコンバイナは、前記第１の彩色光変調チャネルからの前記拡大実像、前記第２の彩色光変調チャネルからの前記拡大実像、及び前記第３の彩色光変調チャネルからの前記拡大実像を合成することによって、多色画像を形成し、
   （ｆ）前記ディスプレイ表面に対して前記多色画像を投影する投影レンズを備える投影装置。
2. 前記第１の彩色光チャネル、前記第２の彩色光チャネル、及び前記第３の彩色光チャネルにおける前記彩色光は、それぞれ赤色、緑色、及び青色である請求項１に記載の投影装置。
3. 少なくとも１つの前記空間光変調器は、反射型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）である請求項１に記載の投影装置。
   

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